簡析單相接地故障的特點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)措施

王晨

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137）

簡析單相接地故障的特點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)措施

王晨

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137）

電力系統(tǒng)故障主要分為短路故障和斷線故障，對(duì)于以電纜作為配電方式的電力系統(tǒng)來說，線路故障絕大多數(shù)為短路故障，而其中又以永久性單相接地故障的發(fā)生頻率為最高，本文結(jié)合高橋石化煉油板塊供配電實(shí)際情況，對(duì)電力系統(tǒng)的單相接地故障的原理、特征及利害做一個(gè)簡要的分析，同時(shí)提出一些故障發(fā)生后，如何快速查找故障，減少事故擴(kuò)大的簡單有效的方法。

單相接地 消弧線圈 中性點(diǎn)非直接接地 過電壓 故障排查

我廠的電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)主要有110kV、35kV、6kV以及0.4kV。運(yùn)行方式屬于中性點(diǎn)非直接接地方式，或稱之為經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)。用電負(fù)荷主要為6kV和0.4kV三相電動(dòng)機(jī)，負(fù)荷等級(jí)大多為一、二級(jí)負(fù)荷，而該類負(fù)荷對(duì)供電的連續(xù)性要求相對(duì)較高，因三相負(fù)載的對(duì)稱性，使得當(dāng)系統(tǒng)僅發(fā)生單相接地故障時(shí)，生產(chǎn)負(fù)荷的持續(xù)性供電不會(huì)受到影響，這一運(yùn)行方式恰好從另一個(gè)側(cè)面輔助保證了連續(xù)性供電。單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)電氣量究竟發(fā)生了什么變化，系統(tǒng)是如何保持持續(xù)運(yùn)行的，以下將從六大方面詳細(xì)分析

1 單相接地故障的電氣量特點(diǎn)

假設(shè)線路A相單相金屬性完全接地時(shí)，基本邊界條件為非故障相B、C相相電流為零，故障相A相電壓為零。在故障相（A相）的復(fù)合序網(wǎng)中，正序、負(fù)序、零序三個(gè)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)并短接，由電路知識(shí)可知，正序、負(fù)序、零序電流三者向量相等，疊加后形成了故障點(diǎn)的單相接地短路電流，該短路電流正好是是零序電流的3倍。而非故障相B、C相的相電壓也發(fā)生了變化，該變化主要受到零序阻抗的影響，：①當(dāng)中性點(diǎn)直接接地時(shí)，零序阻抗理想情況下可視作零，即不存在零序電壓，此時(shí)短路電流中只含有正序和負(fù)序分量，因此非故障相的電壓會(huì)較短路前的正常相電壓降低，極限可降低至原來的86.6%，相位相反；②當(dāng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，零序阻抗理想情況可視為無窮大，三相相電壓的對(duì)稱性被破壞，非故障相的電壓會(huì)較短路前的正常相電壓升高，極限可升高至173.2%，相位差趨于60°，但三相線電壓的對(duì)稱型仍舊保持不變，這就使以電動(dòng)機(jī)為主的三相對(duì)稱負(fù)載的持續(xù)運(yùn)行成為可能。但畢竟是處于故障狀態(tài)，因此規(guī)程規(guī)定，允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行不超過2小時(shí)，以便于運(yùn)行技術(shù)人員查找故障點(diǎn)。這是小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

2 零序電流的產(chǎn)生

正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電容電流大小相等，相位互差120，因此，它們的電流向量和為零，即沒有電容電流流入大地。單相接地故障發(fā)生時(shí)相電壓的對(duì)稱性遭到破壞后，每一相的相對(duì)地電容電流即發(fā)生了變化：故障相直接接地，該相的相電壓降到了零，對(duì)地電容電流自然也變?yōu)榱肆?；而非故障相的相電壓可升高至原來?.732倍，對(duì)地電容電流也隨之升高至1.732倍，三相電容電流和不等于零，接地點(diǎn)的電容電流為全系統(tǒng)所有非故障線路的非故障相對(duì)地電容電流的和值，可升高至正常時(shí)的3倍大小，此處所說的電容電流，即是由零序電壓產(chǎn)生的零序電流。

3 非故障相電壓、故障電流的危害

我們的變配電設(shè)備和電纜線路都是按照能承受系統(tǒng)電壓等級(jí)所對(duì)應(yīng)的最高電壓來制造的，比如說6kV系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的最高電壓為7.2kV，理論上完全可以應(yīng)對(duì)故障時(shí)非故障相相電壓升高帶來的沖擊。但當(dāng)絕緣存在薄弱點(diǎn)時(shí)，很可能造成非故障相相對(duì)地絕緣因受到過電壓的沖擊而致使絕緣損壞，系統(tǒng)隨即發(fā)生另一相接地故障進(jìn)而形成兩相接地短路使事故擴(kuò)大，系統(tǒng)被迫停運(yùn)。同時(shí)系統(tǒng)零序電壓在單相接地故障時(shí)也達(dá)到最大值，威脅著變壓器中性線處的絕緣，因此，在中性點(diǎn)不直接接地的系統(tǒng)中，不得采用分級(jí)絕緣的變壓器，必須使用全絕緣的變壓器以應(yīng)對(duì)故障發(fā)生時(shí)不致設(shè)備損壞。

接地電流的大小主要取決于線路對(duì)地電容的大小，對(duì)地電容值越大，容抗值就越小，產(chǎn)生的電容電流也就越高。如果接地電流不大，對(duì)于6kV電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)來說，接地電流＜30A且相對(duì)數(shù)值較大時(shí)，接地點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生接地電弧，電弧會(huì)隨著電流正弦變化而自行熄滅和重燃，即間歇性弧光，引起弧光過電壓，而弧光過電壓一般為相電壓的2.5-3倍，會(huì)對(duì)全系統(tǒng)設(shè)備絕緣造成破壞；當(dāng)接地電流＞30A時(shí)，接地點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生持續(xù)持續(xù)性的電弧，它的危害在于會(huì)在接地點(diǎn)產(chǎn)生高溫，直接破壞非故障相的絕緣，會(huì)大大縮短由單相接地升級(jí)為兩相接地的時(shí)間。如果故障點(diǎn)是在電氣設(shè)備內(nèi)部，將直接損壞設(shè)備。

4 消弧線圈的作用

為了杜絕接地電弧出現(xiàn)的可能性，目前我廠采用的做法是在中性點(diǎn)串入消弧線圈并接地。消弧線圈實(shí)則為感性負(fù)載，當(dāng)有零序電壓加在消弧線圈上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與對(duì)地電容電流相位相反的電感電流，我廠2#110kV變電站6kV四段母線各設(shè)1#-4#消弧線圈，均采用微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電容電流，可根據(jù)電容電流大小自動(dòng)調(diào)整投入消弧線圈的容量，可以直接抵消故障點(diǎn)處所有的電容電流并最終形成數(shù)值較小感性電流，即過補(bǔ)償?shù)姆绞?。接地電流減小了，接地電弧產(chǎn)生的可能性也基本消除了，這就很好的解決了間歇性弧光過電壓和持續(xù)性弧光高溫過熱引發(fā)的問題。

5 接地故障排查方法

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)先查看系統(tǒng)故障報(bào)文，故障產(chǎn)生的時(shí)間，繼保的發(fā)信和動(dòng)作情況，再觀察三相電壓值，若出現(xiàn)一相降低另兩相升高，基本可判斷為單相接地。由于我廠是石化生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)用電不可間斷，我們采用的是試?yán)l停電的方法，若在停電過程中接地故障消失，說明故障點(diǎn)就在停電所在的線路之上。為保證拉閘的準(zhǔn)確性，在變電站內(nèi)采用了小電流接地選線裝置，該裝置可以較為準(zhǔn)確的指示故障所在的線路位置，為運(yùn)行人員準(zhǔn)確拉閘停電提供較可靠依據(jù)，就目前的運(yùn)行結(jié)果來看，正確率為100%。

除了依靠小電流選線裝置作為停電參考依據(jù)外，還可以根據(jù)綜保中顯示的零序電流值的大小進(jìn)行輔助判斷。系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，電纜線路對(duì)地都有電容電流（零序電流）流過。通過在電纜出線上安裝零序電流互感器來檢測(cè)零序電流，每條非故障線路均向接地點(diǎn)提供電容性零序電流，消弧線圈向接地點(diǎn)提供感性零序電流，即故障點(diǎn)實(shí)際流過零序互感器電流應(yīng)為系統(tǒng)非故障線路總?cè)菪噪娏髋c消弧線圈感性電流向量之和，也稱為殘流。一般的，當(dāng)殘流大于單條線路容性零序電流時(shí)，故障線路零序電流（殘流）是所有饋線中最大。采用消弧線圈過補(bǔ)償方式時(shí)，可重點(diǎn)檢查開關(guān)柜綜保相應(yīng)的零序電流，比較其大小，對(duì)零序電流較大回路可安排先行停電拉閘操作。

6 接地故障的日常防范管理

我廠單相接地故障多發(fā)生在天氣潮濕的季節(jié)，故障部位大多為電纜故障，其中電纜中間接頭處、電纜頭固定處和施工意外損壞到了電纜的情況為最常見。例如，在1#110kV站與2#110kV站之間的35kV聯(lián)絡(luò)電纜中間頭，就經(jīng)常會(huì)在氣候潮濕的季節(jié)發(fā)生絕緣下降，引發(fā)電纜單相接地的故障。又如，很多敷設(shè)在電纜溝中的6kV電纜中間頭，由于處于相對(duì)較低的地勢(shì)，電纜溝中極容易形成有一定深度的積水，電纜中間頭長期浸泡在水中，水汽由縫隙緩慢侵入絕緣，在電場(chǎng)的作用下形成水樹，最終引起短路故障。這些故障有一個(gè)共同的特點(diǎn)，都是因?yàn)榻^緣中含水量變大造成的，往往是在中間頭制作的過程中防水層的密封措施做的不規(guī)范造成的。因此，在電纜中間頭制作安裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照說明指導(dǎo)書的要求操作。其次，應(yīng)該將電纜中間頭放置于電纜溝中地勢(shì)相對(duì)較高的部位，必要時(shí)可用支架支起。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工可能涉及到的直埋電纜區(qū)域的道路開挖，應(yīng)在施工前向施工單位做好技術(shù)和安全的交底，嚴(yán)禁使用機(jī)械作業(yè)開挖，這樣從技術(shù)和管理上在源頭處杜絕電纜絕緣遭到人為和自然力的破壞。

7 結(jié)語

本文重點(diǎn)介紹了不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，各相電壓、電流的變化情況以及中性點(diǎn)電壓電流的變化。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于故障發(fā)生時(shí)，無需立即停電，可帶故障繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行；缺點(diǎn)也是顯而易見的，非故障相的電壓會(huì)升高，故障點(diǎn)電流會(huì)引起電弧燃燒，兩者都會(huì)不同程度破壞設(shè)備和線路的絕緣，引發(fā)次生電力事故，擴(kuò)大了事故停電范圍，影響了用戶的供電連續(xù)性。在采用了消弧線圈補(bǔ)償電容電流后，可最大程度消除接地電弧帶來的破壞，小電流選線裝置可幫助運(yùn)行人員短時(shí)找到故障所在線路，及時(shí)轉(zhuǎn)負(fù)荷停電，盡可能少的影響生產(chǎn)。最后對(duì)單相接地故障發(fā)生頻次較高的情形從管理和技術(shù)上提出了一些防范的措施，在縮短了故障排除的時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少接地發(fā)生的次數(shù)，保證了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

［1］何仰贊，溫增銀.《電力系統(tǒng)分析》（第三版）［M］.華中科技大學(xué)出版社.

［2］國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材［M］.中國電力出版社.

［3］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.中國電力出版社.